荷叶仿生表面制备及其防结冰性能研究.pdf

中文摘要 摘 要 表面结冰/覆冰问题是电力、通信和交通等领域面临的严峻挑战之一，传统的 除冰方法无法从根本上有效地解决覆冰问题。近年来，人们对于结冰/覆冰问题的 解决逐渐从 “除冰”转向 “防冰”，开发出能够减少甚至杜绝表面结冰/覆冰的表 面有着重要的科学意义和实际应用价值。虽然国内外在防结冰表面的研究上已取 得一些重要进展，但是表面对结冰的影响以及作用机理尚不明确。本文在前人研 究的基础上，从超疏水表面具有防结冰潜力的思路出发，以具有自清洁能力的荷 叶为对象，通过改进的模板法对其进行功能仿生，制备了具有荷叶微观结构的仿 生超疏水表面，并通过对表面的制备方法的调控，得到了不同尺度的微观结构表 面，研究了静止液滴在表面的结冰过程、液滴撞击低温表面的行为特性和表面的 冷凝结霜过程，明晰了不同微观结构对防结冰的作用，为优化防结冰表面提供了 依据。本文研究的结果主要包括以下几个方面： ①结合改进的模板法和ZnO 水热生长法在环氧树脂基底上得到了荷叶仿生超 疏水结构（微纳复合结构），表面的接触角为 151.5°，滚动角为7.4°，该方法能够 经济、快捷地实现动植物表面微观结构的快速复刻。并通过对调控表面的制备方 法，得到了光滑表面、纳米结构表面和仿荷叶微米结构表面，为后续研究表面对 结冰的作用机理奠定了材料基础。 ②对于防结冰表面而言，表面应具有稳定的疏水性能，在低温条件下能让水 及时地从表面滚落。在静止液滴结冰实验降温过程中证明，具有密集的纳米结构 的表面能够阻止液滴进入表面微观结构，有利于在低温条件下保持表面的疏水性 能。 ③液滴在表面的延迟结冰时间长短是受表面粗糙度和表面化学能两个因素的 影响，这两个因素同时也决定了表面的亲疏水性能。单一的表面亲疏水性不能反 映出液滴在表面上延迟结冰性能，表面微观结构对于结冰延迟的影响更为显著。 在表面化学能相同的情况下，表面粗糙度较小的光滑结构或者纳米结构，延迟结 冰效果更好。在防结冰表面的设计时，应减少表面的粗糙度，以增加表面延迟结 冰的效果。 ④在超疏水的微纳复合结构表面上，液滴撞击后被弹起，当表面温度降低至 -30 ℃时，表面出现覆冰。低黏附力的超疏水表面能有效地使撞击液滴被弹起，并 及时从表面排走。 ⑤通过对表面的冷凝结霜过程的观测发现，密集的纳米结构能使冷凝微液滴 发生聚并弹跳，脱离表面，从而减少覆冰。表面的开发而言，密集的纳米结构有 利于减少表面冷凝液滴的附着，进而减少覆冰。 I 重庆大学硕士学位论文 关键词：表面仿生；超疏水；微观结构；防结冰 II 英文摘要 Abstract The problem of icing on surfaces is one of the severe challenges in the fields of power, communication and transportation. Traditional deicing methods can not solve the problem of icing on surfaces fundamentally and effectively. In recent years, the solution of the problem has gradually changed from ‘deicing’ to ‘anti-icing’. There has important scientific significance and practical application value to develop a surface that can reduce or even eliminate surface icing. Although some impor